数字阀电液控制系统死区的补偿方法研究海水泵

数字阀电液控制系统死区的补偿方法研究

数字阀电液控制系统死区的补偿方法研究 2011： 摘要：本文针对数字阀存在的响应死区问题，提出了一种双阀联合PWM控制方法。能自动避开响应死区使系统工作在线性较好的区域，从而改善系统的静态性能，提高系统的控制精度。

1　引言

随着电子技术的发展和计算机技术的广泛应用，液压元件及其控制系统也向着数字化方向发展，其中高速开关数字阀由于具有较高的开关速度、结构简单、抗污染、抗干扰能力强，并且易于和计算机相联，可以利用软件伺服来取代昂贵的机械构件，实现数字式电液控制。这必将使复杂的传动回路得以大大简化，使控制过程简单灵活可靠。所以说将高速开关数字阀与计算机相结合实现电液系统自动控制，是今后液压控制系统的发展方向之一。　　数字阀可以直接接受数字信号，是计算机与液压系统之间的桥梁，通常阀工作在“ON”和“OFF”两种状态下。它利用液压系统的低通滤波特性，实现对流体的准连续控制。在PWM控制方式下，数字阀的流体输出理论上是由信号的脉宽占空比决定。阀的响应特性如图1所示。由图1可见高速开关数字阀在大部分区域中有Q=Kqτ成立。其中：Kq为流量系数、τ为脉宽占空比。但考虑到阀的阻尼以及阀芯相对于电信号响应滞后的特性，当τ小于一定值后，其开关阀有一定的工作死区。而对于一个阀控制系统，阀的死区能否得到有效的补偿，直接关系到系统的定位精度及稳定性。对此一些学者也提出过一些有效的措施，但多集中在数字阀元件上，如研究高性能的开关数字阀，改善阀的结构和数字放大器，力求缩小数字阀的切换时滞，或对阀的滞后时间通过测定后进行附加脉宽补偿，以消除阀响应死区的影响。但这一方法在实际实施中较为困难，考虑到高速开关数字阀系统采用的软件伺服这一特点，所以应该从系统的角度来研究回路形和控制方法，基于这一观点，本文提出一种通过联合PWM控制来提高系统控制精度的方法及其系统构成。

图1　流量特性曲线

2　双阀联合PWM控制系统及工作原理

联合式PWM控制是指两个数字阀既可独立工作，又可以一起实现双阀联合控制。它与单阀独立控制方案相比较，在算法上仅仅多了一些逻辑判断，其控制系统框图如图2所示。当控制量U较大时各阀独立工作，系统实现快速响应；当控制量U较小时两个数字阀一起参于工作形成联合控制，是系统自动避开阀固有的流量死区，而工作在线性度较好的状态，实现系统的精确调节。其控制方案如下：

图2　控制系统框图

(1)当时两个数字阀独立工作：　　U(KY)＞0时，AR阀工作　　tP1(KT)=Kpwmsat｜U(KT)｜；tP2(KT)=1U(KT)＜0时，AQ阀工作 　　tP1(KT)=0　　tP2(KT)=1-Kpwmsat｜U(KT)｜　　其中，

td——阀的死区时间；tp——阀开启时间；T——采样周期；M——输入最大幅值。 (2)当时，即数字阀开启时间小于数字阀死区时间时，两个数字阀同时参与控制。

U（KT）＞0，tp（KT）=tps+Kpwmsat　　U（KT）＜0，tp（KT）=tps-Kpwmsat

tps是在联合控制方式下的稳态工作点，在这种情况下系统的流量变化规律则为：

Qs=KQτ(ps-pc+pc)-KQpc　　其中：　　可见系统流量与脉宽占空比τ成线性关系，由此可得图3所示Qs—τ的关系曲线。　　当执行元件稳定时有QAR=QAQ成立，即有：

当ps=2pc时有： tps1+tps2=T　　而在系统稳定时tps=tps1=tps2=T／2，可见两个数字阀的工作零点都平移了T／2，使他们的工作零点均处于数字阀流量特性曲线中线性度最好的区域。见图3曲线C。所以当控制量较小时，系统主动避开阀的流量死区，提高了控制输出的灵敏度和位置控制精度。

3　系统特性分析

针对所研究系统，建立数学模型和仿真研究，得到图4所示在不同控制方案下系统对脉冲输入的响应曲线比较。图中1、3曲线反映了高速开关阀独立工作时系统的响应特性，曲线表明在此工况下系统有较高的响应速度，但由于阀本身存在一定的控制死区，在系统稳定后其输出与希望值仍存在一定的静态差，这是因为在偏差e=Yi=Yf较小时，系统调节器输出值较低。且当U(KT)＜td·M／T时开关阀工作进入流量死区，失去调节能力，致使系统精度较差；曲

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